Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I

Transcript

1 Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I Επιμέλεια: Γεώργιος Θεοδωρίδης, Επίκουρος Καθηγητής Ανδρέας Εμερετλής, Υποψήφιος Διδάκτορας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

2 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I

3 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη Δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

4 Ανάπτυξη Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό αναπτύχθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 4

5 Στατικά Κυκλώματα CMOS Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 5

6 Περίγραμμα Παρουσίασης Εισαγωγή Bubble Pushing & Compound Πύλες Παράδειγμα Bubble Pushing, Compound Πύλες, Logical Effort Διάταξη Εισόδων (Input Ordering) Ασύμμετρες Πύλες Skewed Πύλες Βέλτιστος P/N λόγος Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 6

7 Οικογένειες Συνδυαστικών Κυκλωμάτων Τα στατικά CMOS (static CMOS) κυκλώματα είναι τα πλέον χρησιμοποιούμενα για την υλοποίηση ψηφιακή λογικής Αποτελούνται από nmos pull-down και pmos pull-up συμπληρωματικά δικτυώματα Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθούν ειδικές οικογένειες σχεδιασμού: Dynamic logic circuits, Pass transistor logic, Ratioed circuits Όμως λόγω σημαντικών προβλημάτων (κυρίως στιβαρότητα robustness) χρησιμοποιούνται σε ειδικές περιπτώσεις Αντικείμενο του κεφαλαίου είναι η μελέτη των διαφορετικών οικογενειών υλοποίησης συνδυαστικών κυκλωμάτων Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 7

8 Static CMOS Πλεονεκτήματα (/) Στιβαρότητα (robustness) & υψηλά περιθώρια θορύβου Με σωστή είσοδο υπολογίζουν πάντα σωστά την τιμή της εξόδου δεδομένης σωστής σχεδίασης και καταασκευής Δεν επηρεάζονται από φαινόμενα charge sharing (dynamic circuits), leakage (dynamic circuits), threshold drops (pass logic circuits), που εμφανίζονται σε άλλες οικογένειες σχεδίασης και που αλλοιώνουν την τιμή της εξόδου Η χρήση των εναλλακτικών οικογενειών επιβάλλει την κατανόηση όλων των ενδογενών προβλημάτων τους Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 8

9 Static CMOS Πλεονεκτήματα (/) Υψηλή ταχύτητα και χαμηλή κατανάλωση ισχύος Δεδομένης της στιβαρότητας & υψηλών περιθωρίων θορύβου η ταχύτητα τους είναι αρκετά υψηλή η κατανάλωση ενέργειας ικανοποιητική απουσία σήματος ρολογιού και απουσία ρευμάτων από V dd GND που οδηγούν σε στατική κατανάλωση Ευκολία σχεδιασμού Υποστήριξη από όλα τα CD εργαλεία σχεδίασης Διαθέσιμα ως προσχεδιασμένα κυκλώματα σε βιβλιοθήκες (standard cell libraries) Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 9

10 Static CMOS Μειονεκτήματα Μεγάλη επιφάνεια ολοκλήρωσης x πλήθος transistors (nmos & pmos networks) Υψηλή χωρητικότητα Λόγω των nmos & pmos networks > αύξηση χωρητικότητας εξόδου > αύξηση δυναμικής κατανάλωσης και καθυστέρησης Σχετικά υψηλές τιμές λογικού φόρτου (logical effort) Στη μετάβαση 0 το pmos network προσθέτει χωρητικότητα > αύξηση του logical effort χωρίς να αυξάνει το ρεύμα εκφόρτισης Πλήρης μεταβάσεις των κόμβων (0 Volts V DD ) Αύξηση της καθυστέρησης και της κατανάλωσης Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 0

11 Περίγραμμα Παρουσίασης Εισαγωγή Bubble Pushing & Compound Πύλες Παράδειγμα Bubble Pushing, Compound Πύλες, Logical Effort Διάταξη Εισόδων (Input Ordering) Ασύμμετρες Πύλες Skewed Πύλες Βέλτιστος P/N λόγος Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I

12 Static CMOS Υλοποίηση μη Συμπληρωματικών Συναρτήσεων Η στατική CMOS λογική μπορεί να υλοποιήσει μόνο συμπληρωματικές συναρτήσεις F B + CD Για παράδειγμα Για την υλοποίηση μη συμπληρωματικών λογικών συναρτήσεων ακολουθούνται δύο τεχνικές: «Μετακίνηση ανιτστροφέων (φυσαλίδων)» Bubble Pushing Σύνθετες πύλες Compound Gates Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I

13 Bubble Pushing Βασίζεται στην εισαγωγή αντιστροφέων και στην υλοποίηση του κυκλώματος με πύλες ΑND/NOR/NOT με βάση τον κανόνα De Morgan Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

14 Bubble Pushing Βασίζεται στην εισαγωγή αντιστροφέων και στην υλοποίηση του κυκλώματος με πύλες ΑND/NOR/NOT με βάση τον κανόνα De Morgan Κανόνας De Morgan για ΑND & NOR πύλες Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

15 Bubble Pushing Βασίζεται στην εισαγωγή αντιστροφέων και στην υλοποίηση του κυκλώματος με πύλες ΑND/NOR/NOT με βάση τον κανόνα De Morgan Κανόνας De Morgan για ΑND & NOR πύλες Παράδειγμα: έστω η συνάρτηση F B + CD Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

16 Bubble Pushing (a) (b) (c) D (d) Βασίζεται στην εισαγωγή αντιστροφέων και στην υλοποίηση του κυκλώματος με πύλες ΑND/NOR/NOT με βάση τον κανόνα De Morgan Κανόνας De Morgan για ΑND & NOR πύλες Παράδειγμα: έστω η συνάρτηση F B + CD Θεωρούμε ένα δίκτυο από ND / OR πύλες Εφαρμόζουμε bubble pushing Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

17 Bubble Pushing (a) (b) (c) D (d) Βασίζεται στην εισαγωγή αντιστροφέων και στην υλοποίηση του κυκλώματος με πύλες ΑND/NOR/NOT με βάση τον κανόνα De Morgan Κανόνας De Morgan για ΑND & NOR πύλες Παράδειγμα: έστω η συνάρτηση F B + CD Θεωρούμε ένα δίκτυο από ND / OR πύλες Εφαρμόζουμε bubble pushing Το τελικό κύκλωμα είναι 3 NND πύλες F B CD Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

18 Σύνθετες Πύλες Compound Gates Χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση συμπληρωματικών συναρτήσεων σε μία βαθμίδα λογικής Μη συμπληρωματικές συναρτήσεις μπορούν να υλοποιηθούν με σύνθετες πύλες και αντιστροφείς Η bubble pushing χρησιμοποιεί πολλές βαθμίδες από απλές πύλες Παράδειγμα: έστω η συνάρτηση: F B + CD Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 4

19 Σύνθετες Πύλες Compound Gates Χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση συμπληρωματικών συναρτήσεων σε μία βαθμίδα λογικής Μη συμπληρωματικές συναρτήσεις μπορούν να υλοποιηθούν με σύνθετες πύλες και αντιστροφείς Η bubble pushing χρησιμοποιεί πολλές βαθμίδες από απλές πύλες Παράδειγμα: έστω η συνάρτηση: F B + CD Η υλοποίηση με σύνθετες πύλες είναι η F B + CD Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 4

20 Compound Gates Logical Effort Εν γένει το logical effort των σύνθετων πυλών μπορεί να είναι διαφορετικό για διαφορετικές εισόδους Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 5

21 Compound Gates Logical Effort Εν γένει το logical effort των σύνθετων πυλών μπορεί να είναι διαφορετικό για διαφορετικές εισόδους Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 5

22 Compound Gates Logical Effort Εν γένει το logical effort των σύνθετων πυλών μπορεί να είναι διαφορετικό για διαφορετικές εισόδους Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 5

23 Compound Gates Logical Effort Εν γένει το logical effort των σύνθετων πυλών μπορεί να είναι διαφορετικό για διαφορετικές εισόδους Τα μεγέθη των τρανζίστορ επιλέχθηκαν ώστε να παρέχουν το ίδιο ρεύμα με αυτό του μοναδιαίου αντιστροφέα αναφοράς Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 5

24 Περίγραμμα Παρουσίασης Εισαγωγή Bubble Pushing & Compound Πύλες Παράδειγμα Bubble Pushing, Compound Πύλες, Logical Effort Διάταξη Εισόδων (Input Ordering) Ασύμμετρες Πύλες Skewed Πύλες Βέλτιστος P/N λόγος Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 6

25 Compound Gates & Bubble Pushing Logical Effort (/5) D0 S D S D 0 S D S Ένας πολυπλέκτης έχει μέγιστη χωρητικότητα εισόδου 6 μονάδων σε κάθε είσοδο και πρέπει να οδηγεί ένα φορτίο 60 μονάδων Υπολογισμός καθυστέρησης των δύο υλοποιήσεων Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 7

26 Compound Gates & Bubble Pushing Logical Effort (/5) H 60 / 6 0 B N D0 S D S P + 4 G ( 4 / 3) (4 / 3) 6 / 9 F GBH 60 / N F 4. 9 N D N F + P.4τ Ένας πολυπλέκτης έχει μέγιστη χωρητικότητα εισόδου 6 μονάδων σε κάθε είσοδο και πρέπει να οδηγεί ένα φορτίο 60 μονάδων Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 8

27 Compound Gates & Bubble Pushing Logical Effort (/5) H 60 / 6 0 B N D0 S D S D0 S D S P + 4 G ( 4 / 3) (4 / 3) 6 / 9 F GBH 60 / 9 N F 4. N D N F + P.4τ P 4 + N D N F + P 4τ Ένας πολυπλέκτης έχει μέγιστη χωρητικότητα εισόδου 6 μονάδων σε κάθε είσοδο και πρέπει να οδηγεί ένα φορτίο 60 μονάδων 5 G ( 6 / 3) () F GBH 0 N F 4.5 Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 8

28 Compound Gates & Bubble Pushing Logical Effort (/5) H 60 / 6 0 B N D0 S D S D0 S D S P + 4 G ( 4 / 3) (4 / 3) 6 / 9 F GBH 60 / 9 N F 4. N D N F + P.4τ P 4 + N D N F + P 4τ Ένας πολυπλέκτης έχει μέγιστη χωρητικότητα εισόδου 6 μονάδων σε κάθε είσοδο και πρέπει να οδηγεί ένα φορτίο 60 μονάδων 5 G ( 6 / 3) () F GBH 0 N F 4.5 Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 8

29 Compound Gates & Bubble Pushing Παράδειγμα (3/5) D0 S D S Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 9

30 Compound Gates & Bubble Pushing Παράδειγμα (3/5) D0 S D S Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 9

31 Compound Gates & Bubble Pushing Παράδειγμα (3/5) D0 S D S D0 S D S Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 9

32 Compound Gates & Bubble Pushing Παράδειγμα (3/5) D0 S D S D0 S D S Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 9

33 Compound Gates & Bubble Pushing Παράδειγμα (4/5) Υπολογισμός διαστάσεων των τρανζίστορ ώστε να επιτυγχάνονται οι προηγούμενοι χρόνοι Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 0

34 Compound Gates & Bubble Pushing Παράδειγμα (5/5) * (4/3) / * / Υπολογισμός διαστάσεων των τρανζίστορ ώστε να επιτυγχάνονται οι προηγούμενοι χρόνοι Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I

35 Περίγραμμα Παρουσίασης Εισαγωγή Bubble Pushing & Compound Πύλες Παράδειγμα Bubble Pushing, Compound Πύλες, Logical Effort Διάταξη Εισόδων (Input Ordering) Ασύμμετρες Πύλες Skewed Πύλες Βέλτιστος P/N λόγος Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I

36 Διάταξη Εισόδων Input Ordering (/) 6C B x C Θεωρούμε την περίπτωση: μία είσοδος είναι σταθερή στο & η άλλη μεταβάλλεται 0 η έξοδος μεταβάλλεται 0 Αν το Β έρθει τελευταίο (Α, Β 0) O κόμβος x αρχικά θα είναι VDD-Vt~VDD Η καθυστέρηση είναι (Elmore Delay) : (R/)(C) + R(6C) 7RC.33τ τ 3RC Αν το Β έρθει πρώτο (Β, Α 0) Ο κόμβος x αρχικά θα είναι 0 θα έχει εκφορτιστεί από το Α Η καθυστέρηση είναι (Elmore Delay) : R(6C) 6RC τ Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

37 Διάταξη Εισόδων Input Ordering (/) 6C B x C Ως Outer Είσοδοι ορίζονται αυτές που είναι πιο κοντά στις γραμμές VDD και GND Στο κύκλωμα η Β Ως Inner Είσοδοι ορίζονται αυτές που είναι πιο κοντά στην έξοδο Στο κύκλωμα η Α Για βελτίωση της ταχύτητας συνδέουμε την πιο «καθυστερημένη» είσοδο στον ακροδέκτη της inner Οι είσοδοι που ενεργοποιούνται νωρίτερα εκφορτίζουν τις εσωτερικές χωρητικότητες Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 4

38 Περίγραμμα Παρουσίασης Εισαγωγή Bubble Pushing & Compound Πύλες Παράδειγμα Bubble Pushing, Compound Πύλες, Logical Effort Διάταξη Εισόδων (Input Ordering) Ασύμμετρες Πύλες Skewed Πύλες Βέλτιστος P/N λόγος Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 5

39 Ασύμμετρες Πύλες (/3) Ως ασύμμετρες πύλες ορίζονται οι πύλες όπου οι είσοδοι έχουν διαφορετικό logical effort Αυτό μπορεί να είναι ενδογενές όπως η ΑΟΙ πύλη Όμως μπορεί και να επιβληθεί για λόγους ταχύτητας Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 6

40 Ασύμμετρες Πύλες (/3) reset reset 4/3 Οι ασύμμετρες πύλες «ευνοούν» τη μία είσοδο εις βάρος της άλλης Έστω ότι το reset συμβαίνει σπάνια Στόχος η σχεδίαση ώστε το κύκλωμα να αποκρίνεται γρήγορα σε σχέση με την είσοδο Α Με κόστος μεγαλύτερη καθυστέρηση όταν ενεργοποιείται η είσοδος reset Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 7

41 Ασύμμετρες Πύλες (3/3) Χρησιμοποιούμε μικρότερο nmos τρανζίστορ στην κρίσιμη είσοδο Α είναι σημαντικό το μικρό τρανζίστορ να είναι κοντά στην έξοδο Μείωση χωρητικότητας Αυξάνουμε το μέγεθος του τρανζίστορ στη μηκρίσιμη είσοδο η τελική αντίσταση παραμένει η ίδια (ίδιο συνολικό ρεύμα ίδια ικανότητα οδήγησης) g 0/9, g B αντί 4/3 της συμμετρικής ΝND g < 4/3, g Β > 4/3, g total (g + g B ) / 8/8 8/8 > 4/3 reset reset 4/3 4 Οι ασύμμετρες πύλες προσεγγίζουν το g στην κρίσιμη είσοδο (g 0/9) Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 8

42 Ασύμμετρες Πύλες (3/3) Χρησιμοποιούμε μικρότερο nmos τρανζίστορ στην κρίσιμη είσοδο Α είναι σημαντικό το μικρό τρανζίστορ να είναι κοντά στην έξοδο Μείωση χωρητικότητας Αυξάνουμε το μέγεθος του τρανζίστορ στη μηκρίσιμη είσοδο η τελική αντίσταση παραμένει η ίδια (ίδιο συνολικό ρεύμα ίδια ικανότητα οδήγησης) g 0/9, g B αντί 4/3 της συμμετρικής ΝND g < 4/3, g Β > 4/3, g total (g + g B ) / 8/8 8/8 > 4/3 reset reset 4/3 4 Οι ασύμμετρες πύλες προσεγγίζουν το g στην κρίσιμη είσοδο (g 0/9) Αύξηση του logical effort για τις υπόλοιπες εισόδους Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 8

43 Ασύμμετρες Πύλες (3/3) Χρησιμοποιούμε μικρότερο nmos τρανζίστορ στην κρίσιμη είσοδο Α είναι σημαντικό το μικρό τρανζίστορ να είναι κοντά στην έξοδο Μείωση χωρητικότητας Αυξάνουμε το μέγεθος του τρανζίστορ στη μηκρίσιμη είσοδο η τελική αντίσταση παραμένει η ίδια (ίδιο συνολικό ρεύμα ίδια ικανότητα οδήγησης) g 0/9, g B αντί 4/3 της συμμετρικής ΝND g < 4/3, g Β > 4/3, g total (g + g B ) / 8/8 8/8 > 4/3 reset reset 4/3 4 Οι ασύμμετρες πύλες προσεγγίζουν το g στην κρίσιμη είσοδο (g 0/9) Αύξηση του logical effort για τις υπόλοιπες εισόδους Αύξηση του συνολικού logical effort Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 8

44 Περίγραμμα Παρουσίασης Εισαγωγή Bubble Pushing & Compound Πύλες Παράδειγμα Bubble Pushing, Compound Πύλες, Logical Effort Διάταξη Εισόδων (Input Ordering) Ασύμμετρες Πύλες Skewed Πύλες Βέλτιστος P/N λόγος Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 9

45 Skewed Πύλες (/) Οι skewed πύλες «ευνοούν» τη θετική ή την αρνητική μετάβαση της εξόδου εις βάρος της άλλης Δεν πρέπει να συγχέονται οι στόχοι των ασύμμετρων και skewed πυλών Οι ασύμμετρες πύλες ευνοούν μια συγκεκριμένη είσοδο μειώνοντας το logical effort αυτής της εισόδου Μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της καθυστέρησης κρίσιμων μονοπατιών (critical paths) Οι skewed πύλες ευνοούν μια συγκεκριμένη μετάβαση μειώνοντας το logical effort για τη συγκεκριμένη μετάβαση Προσφέρει δυνατότητες για νέες οικογένειες (pseudo nmos, CMOS domino, precharged κυκλώματα) Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 30

46 Skewed Πύλες (/) HI-skew αντιστροφέας Unskewed αντιστροφέας (equal rise resistance) unskewed αντιστροφέας (equal fall resistance) / / Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

47 Skewed Πύλες (/) HI-skew αντιστροφέας Unskewed αντιστροφέας (equal rise resistance) unskewed αντιστροφέας (equal fall resistance) / / Αν υποθέσουμε ότι η μετάβαση 0 σε έναν αντιστροφέα είναι η κρίσιμη Ελαττώνουμε το μέγεθος του μη κρίσιμου nmos transistor Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

48 Skewed Πύλες (/) HI-skew αντιστροφέας Unskewed αντιστροφέας (equal rise resistance) unskewed αντιστροφέας (equal fall resistance) / / Αν υποθέσουμε ότι η μετάβαση 0 σε έναν αντιστροφέα είναι η κρίσιμη Ελαττώνουμε το μέγεθος του μη κρίσιμου nmos transistor Υπολογίζουμε το logical effort σε σχέση με τον unskewed αντιστροφέα με ίδια ενεργή (effective) αντίσταση για τη μετάβαση αυτή Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

49 Skewed Πύλες (/) HI-skew αντιστροφέας Unskewed αντιστροφέας (equal rise resistance) unskewed αντιστροφέας (equal fall resistance) / / Αν υποθέσουμε ότι η μετάβαση 0 σε έναν αντιστροφέα είναι η κρίσιμη Ελαττώνουμε το μέγεθος του μη κρίσιμου nmos transistor Υπολογίζουμε το logical effort σε σχέση με τον unskewed αντιστροφέα με ίδια ενεργή (effective) αντίσταση για τη μετάβαση αυτή.5 / 3 5/6.5 /.5 5/3 Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

50 HI- and LO-Skew Το logical effort για μια μετάβαση σε μια skewed πύλη είναι ο λόγος της χωρητ. εισόδου της πύλης προς τη χωρητ. εισόδου ενός unskewed αντιστροφέα που δίνει το ίδιο ρεύμα εξόδου για την ίδια μετάβαση Οι Skewed Πύλες μειώνουν το μέγεθος των μη κρίσιμων transistors Οι HI-skew πύλες «ευνοούν» την 0 μετάβαση της εξόδου (μικρού πλάτους nmos) Οι LO-skew πύλες «ευνοούν» την 0 μετάβαση της εξόδου (μικρού πλάτους pmos) To logical effort είναι μικρότερο για τις «ευνοούμενες» μεταβάσεις αλλά μεγαλύτερο για τις άλλες. Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 3

51 Κατάλογος Skewed Πυλών Inverter NND NOR unskewed B 4/3 4/3 4/3 B 4 4 5/3 5/3 5/3 HI-skew / 5/6 5/3 5/4 B B LO-skew 4/3 /3 B B Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 33

52 Κατάλογος Skewed Πυλών Inverter NND NOR unskewed B 4/3 4/3 4/3 B 4 4 5/3 5/3 5/3 HI-skew / 5/6 5/3 5/4 B B LO-skew 4/3 /3 B B Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 33

53 Κατάλογος Skewed Πυλών Inverter NND NOR unskewed B 4/3 4/3 4/3 B 4 4 5/3 5/3 5/3 HI-skew / 5/6 5/3 5/4 B B LO-skew 4/3 /3 B B Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 33

54 Κατάλογος Skewed Πυλών Inverter NND NOR unskewed B 4/3 4/3 4/3 B 4 4 5/3 5/3 5/3 HI-skew / 5/6 5/3 5/4 B 3/ B / 4 4 / 3/ 3 9/4 LO-skew 4/3 /3 B 3/ B 3/ Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 34

55 Ασύμμετρες Skew Πύλες reset reset 4/3 4 Αν συνδυάσουμε τις Ασύμμετρες και τις Skewed Πύλες Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 35

56 Ασύμμετρες Skew Πύλες reset reset 4/3 4 Αν συνδυάσουμε τις Ασύμμετρες και τις Skewed Πύλες Τροποποιούμε το μέγεθος των μη-κρίσιμων transistors στην μησημαντική είσοδο Μειώνουμε την παρασιτική καθυστέρηση για την κρίσιμη είσοδο Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 35

57 Περίγραμμα Παρουσίασης Εισαγωγή Bubble Pushing & Compound Πύλες Παράδειγμα Bubble Pushing, Compound Πύλες, Logical Effort Διάταξη Εισόδων (Input Ordering) Ασύμμετρες Πύλες Skewed Πύλες Βέλτιστος P/N λόγος Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 36

58 Βέλτιστος P/N Λόγος Επιλέξαμε το λόγο P/N για την μοναδιαία αντίσταση ανερχόμενης και κατερχόμενης μετάβασης (µ -3 για έναν inverter) Εναλλακτικά: επιλογή του Ρ/Ν για ελάχιστη κατά μέσο όρο καθυστέρηση Παρ.: αντιστροφέας k λόγος για ίσους χρόνους ανόδου και καθόδου t pdf * (P+) t pdr (k/p) *(P+) P t pd (P+)(+k/P)/ dt pd / dp (- k/p )/ 0 Ελάχιστη καθυστέρηση τιμή του P k Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 37

59 Λόγοι P/N Γενικά, ο βέλτιστος λόγος P/N είναι η τετραγωνική ρίζα του αντίστοιχου λόγου για ίσες καθυστερήσεις ανόδου και καθόδου Για τεχνολογίες όπου μ n / μ p οι βέλτιστοι λόγοι έχουν ως εξής Αντιστροφέας NND NOR βέλτιστος.44 P/N λόγος B 4/3 4/3 4/3 B 3/ Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 38

60 Λόγοι P/N Μειώνοντας το μέγεθος του pmos από σε.4 για τη ΝΟΤ βελτίωση της μέσης καθυστέρησης είναι μόνο 3% Όμως ελαττώνεται : επιφάνεια, χωρητικότητα, και δυναμική κατανάλωση Όμως λόγο των διαφορετικών χρόνων ανόδου και καθόδου, αν ενεργοποιείται η χειρότερη μετάβαση τότε κάποια μονοπάτια του κυκλώματος μπορεί είναι πιο αργά Αντιστροφέας NND NOR βέλτιστος.44 P/N λόγος B 4/3 4/3 4/3 B 3/ Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 39

61 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Η ανάπτυξη της παρουσίασης βασίστηκε στις διαφάνειες του συγγράμματος «CMOS VLSI Design: Circuits and Systems Perspective (4 th Edition)», Neil H.E. Weste, David Money Harris, Pearson, 0. Διαθέσιμες στη διαδικτυακή διεύθυνση 0 David Money Harris Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 53

62 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Γεώργιος Θεοδωρίδης, Οδυσσέας Κουφοπαύλου, «Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων (VLSI) I». Έκδοση:.0 Πάτρα 05 Διαθέσιμο στη διαδικτυακή διεύθυνση Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 53

63 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου των διδασκόντων καθηγητών. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. Σχεδιασμός Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων VLSI I 40